Dispositivos de protección para motores eléctricos

La función de estos dispositivos es proteger a personas y equipos cuando se presentan las siguientes anomalías: • Cortocircuitos (fusibles, disyuntores magnéticos, disyuntores  magnéticos, breakers termo-magneticos) • Sobrecargas (relé Sobrecargas (relé térmico). • Sobretensiones (relé de máxima tensión). • Fugas de corriente a tierra (relé tierra  (relé diferencial) Antes de profundizar en el funcionamiento de cada dispositivo cabe mencionar y diferenciar los tipos de fallas que existen ya que también son las más comunes que tienden a presentarse.

¿Qué es una falla? Es una anormalidad que causa disminución del aislamiento entre conductores de fases ó entre conductores y tierra. Las fallas que más comunes que tienden a presentarse en equipos y motores eléctricos son las siguientes: *Sobrecarga *Cortocircuito *Sobretensiones *Fugas de corriente a tierra

1.1 Fallas por sobrecargas 1.1.1 Fallas por sobrecargas Este tipo de falla se da cuando se satura de carga al eje del motor, generando así que se requiera de más corriente para alimentar a las cargas. Esto provoca un mal funcionamiento de los generadores y demás componentes, debido a que estarían trabajando por encima de su corriente nominal.

1.1.2 Dispositivo de protección para sobrecargas. Relé Térmico ó Relé de Sobrecarga

El dispositivo apropiado para sobrecargas es el relé térmico ó relé de sobrecarga. Los relés térmicos son los aparatos más utilizados para proteger los motores contra las sobrecargas débiles y prolongadas, un relé térmico es un aparato diseñado para la protección de motores contra sobrecargas, fallo de alguna fase y diferencias de carga entre fases. Valor estándar 660 Vac, para frecuencias de 50/60 Hz. El aparato incorpora dos contactos auxiliares (NO-97-98 y NC-95-96), para su uso en el circuito de mando. Dispone de un botón regulador-selector de la intensidad de protección. Además, incorpora un botón de prueba (STOP), y otro para RESET. Este dispositivo de protección garantiza: *Optimizar la durabilidad de los motores, impidiendo que funcionen en condiciones de calentamiento. * La continuidad de explotación de las máquinas o las instalaciones evitando paradas imprevistas. *Volver a arrancar después de un disparo con la mayor rapidez y las mejores condiciones de seguridad posibles para los equipos y las personas.

Si el

1.1.3Principio de funcionamiento del relé térmico. motor sufre una avería y se produce una

sobreintensidad, unas bobinas calefactoras (resistencias arrolladas alrededor de un bimetal), consiguen que una lámina bimetálica, constituida por dos metales de diferente coeficiente de dilatación, se deforme, desplazando en este movimiento una placa de fibra, hasta que se produce el cambio o conmutación de los contactos. El relé térmico actúa en el circuito de mando, con dos contactos auxiliares y en el circuito de potencia, a través de sus tres contactos principales.

1.1.4¿Cómo seleccionar un relé térmico?

Los relés térmicos se utilizan para proteger los motores de las sobrecargas, pero durante la fase de arranque deben permitir que pase la sobrecarga temporal que provoca el pico de corriente, y activarse únicamente si dicho pico, es decir la duración del arranque, resulta excesivamente larga. La duración del arranque normal del motor es distinta para cada aplicación; puede ser de tan sólo unos segundos (arranque en vacío, bajo par resistente de la máquina arrastrada, etc.) o de varias decenas de segundos (máquina arrastrada con mucha inercia), por lo que es necesario contar con relés adaptados a la duración de arranque. Según la necesidad se define en tres tipos de disparo para los relés de protección térmica: *Relés de clase 10: válidos para todas las aplicaciones corrientes con una duración de arranque inferior a 10 segundos o menos al 600% de su corriente nominal. * Relés de clase 20: admiten arranques de hasta 20 segundos de duración o menos al 600% de su corriente nominal.

*Relés de clase 30: para arranques con un máximo de 30 segundos de duración o menos al 600% de su corriente nominal. Tabla para la selección de un rele térmico para motores trifásicos

1.1.5 Simbología y diagrama de conexión de un relé térmico.

Simbología:

Diagrama de conexión:

Contactos auxiliares

Contactos de potencia

1.2 Fallas por cortocircuito 1.2.1 Fallas por cortocircuito Como su mismo nombre lo dice, este tipo de falla se da cuando se cortocircuitan (se unen) 2 fases o una fase y el neutro. En este caso al disminuir la resistencia, la corriente tiende a aumentar y esto provoca un alto consumo de energía. Un cortocircuito se puede dar tanto en AC como en DC también. *En AC hay un cortocircuito cuando hay contacto entre fases, entre fase y neutro o entre fases y masa conductora. *En DC hay un cortocircuito cuando hay contacto entre los dos polos.

Contacto entre fase y fase

Contacto entre fase y neutro

1.2.2 Dispositivos automáticos de protección para cortocircuitos. Interruptores automáticos con relé magnético y proteccion termo-magnética

1.2.2.1 Interruptores automáticos con relé magnético El interruptor de disparo automático (relé magnetico) consta de una bobina por la que circula la corriente a controlar. Cuando la corriente alcanza un determinado múltiplo de la intensidad nominal la bobina atrae a una pieza metálica cuyo movimiento provoca el disparo de la protección.

Su misión es la protección contra cortocircuitos ya que como se menciono anteriormente en un corto la corriente se eleva considerablemente de unas 8-12 veces su corriente nominal.

1.2.2.2 Protección termo-magnética ó guardamotor Un guardamotor es un disyuntor que puede ser térmico ó magneto-térmico, dependiendo de cómo se desea adquirir; esta especialmente diseñado para la protección de motores eléctricos. Este diseño especial proporciona al dispositivo una curva de disparo que lo hace más robusto frente a las sobre intensidades transitorias típicas de los arranques de los motores. El disparo magnético es equivalente al de otros interruptores automáticos pero el disparo térmico se produce con una intensidad y tiempo mayores. Las características principales de los guardamotores, al igual que de otros interruptores automáticos magneto-térmicos, son la capacidad de ruptura, la intensidad nominal o calibre y la curva de disparo. Proporciona protección frente a sobrecargas del motor y cortocircuitos, así como, en algunos casos, frente a falta de fase. Pero contrariamente a lo que ocurre con los pequeños interruptores automáticos magneto-térmicos, los guardamotores son regulables; este es compuesto internamente por contactos de potencia, interruptores y un relé térmico.

1.2.3 Principio de funcionamiento

1.2.3.1 Interruptor automático con relé magnético El disparo magnético esta dado que cuando circular la corriente el electroimán crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado, tiende a abrir un contacto, pero sólo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite de intervención fijado. Este nivel de intervención suele estar comprendido entre 3 y 20 veces la intensidad nominal (la intensidad de diseño del interruptor termomagnético) y su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace

muy seguro por su velocidad de reacción. Esta es la parte destinada a la protección frente a los cortocircuitos, donde se produce un aumento muy rápido y elevado de corriente.

No ha cortocircuito

Si ha cortocircuito

1.2.3.2 Guardamotor Se conoce como guardamotores a los elementos de protección térmica-magnética para los motores. Físicamente se componen de tres placas bimetálicas (una por fase) y sobre ellas van arrolladas una serie de espiras de hilo de aleación especial que es por donde pasa la corriente absorbida por el motor, también se puede utilizar como interruptor general. Disponen de tres bornes de conexión para la entrada de corriente y otros tres bornes de conexiones para la salida de la corriente y de dos contactos de maniobra. El principio de funcionamiento es sencillo. Cuanta más corriente pasa, más se doblan los bimetales por efecto del calor. Cuando se doblan más de la cuenta (Intensidad prefijada) cambian de estado los contactos de maniobra que contiene. Generalmente estos contactos de maniobra son uno normalmente abierto y otro normalmente cerrado, que se suelen utilizar el NA para señalización de disparo del relé térmico y el NC para cortar corriente a la maniobra del automatismo, de esta forma se consigue que el motor se pare antes de averiarse.

1.2.4 ¿Cómo seleccionar un guardamotor?

El guardamotor como protección de motor se escoge según el valor en amperios que el fabricante del motor ha establecido como la corriente máxima de trabajo a la potencia nominal, ese es un dato de placa, junto con la corriente de arranque otro dato de placa. Generalmente se escoge un guardamotor que tenga un disparo magnético más alta que la corriente de arranque del motor.  A continuación se ilustra una tabla orientativa para la selección de un guardamotor dependiendo de la potencia del motor, del voltaje de red, corriente nominal y disparo magnetico.

1.2.5 Simbología y diagramas de conexión del guardamotor

Simbología:

Termomagnetico

magnético

Conexión:

Conexión de un guardamotor

1.3 Fallas por sobretensiones 1.3.1 Fallas por sobretensiones Las sobretensiones en general se definen como un aumento de tensión irregular que se origina en los conductores eléctricos (entre fases y tierra). Su valor es tan elevado que es mayor al valor pico máximo conocido en tensión de operación normal del sistema. Las sobretensiones poseen diversas causas por las cuales se producen, de acuerdo a su origen se pueden clasificar de la siguiente maneras, ya sea por causas internas a la red (de maniobra), o por causas externas como descargas atmosféricas. Las sobretensiones de maniobra se generan por acción de operaciones de equipos de un sistema de potencia. Estas sobretensiones se originan al producirse c ambios bruscos cuando el sistema está en un funcionamiento normal. D ebido a que hay factores que ocasionan fenómenos transitorios. Los equipos se pueden proteger mediante reles de tensión esto es para sobretensiones de causas internas, pero para sobretensiones por causas externas es muy común que se utilicé el método de la jaula de faraday para contrarrestar las descargas atmosféricas.

Jaula de faraday

1.3.2 Dispositivos de protección para sobretensiones. Relés de tensión

Las sobretensiones son subidas de tensión que causan desperfectos en los equipos eléctricos conectados a la red eléctrica. En algunos casos estos equipos son destruidos de manera instantánea y en otros casos afectan mediante un deterioro progresivo que disminuye la vida útil del equipo en cuestión. Los relés de tensión se usan para la protección de equipos eléctricos, instalaciones, conexión de iluminación de emergencia, detección de la rotura del conductor de neutro y caídas de tensión de breve duración de tiempo.

Estos están disponibles para la detección de minima tensión, máxima tensión y detección combinada.

1.3.3 Principio de funcionamiento de un relé de sobretensión

Su comportamiento es similar al relé de sobretensión no retardado (acción al instante), distinguiéndose dos tipos: de mínima y máxima tensión. El relé de mínima tensión actúa cuando la tensión de red disminuye a un valor que pudiera ser peligroso para los receptores (< 85 % de VL) y que persiste durante cierto tiempo. El relé de máxima tensión tiene la misión de evitar la elevación de la tensión de red a valores superiores al máximo previsible. El relé de vigilancia de la tensión trifásica se coloca en redes trifásicas para la vigilancia de las tres tensiones en relés de protección o contadores y así evitar disparos o mediciones erróneas. Generalmente señalan fuertes descensos o la caída de una o varias tensiones. 1.3.4 ¿Cómo seleccionar un relé de sobretensión?

Para seleccionar el rele de sobretensión adecuado se debe de tener en cuente que los aparatos conectados permanentemente a las líneas eléctricas son: Cables de tierra: destinados a prevenir ondas de sobretensiones externas y derivarlas a tierra. Puesta a tierra del neutro, bien sea directamente o a través de resistencias o impedancia débiles.

Pararrayos, que entran en servicio cuando la tensión alcanza un valor superior a la de servicio y comprendidas entre los limites inferior y superior a la tensión de cebado, provocando la descarga a tierra de la corriente que a él llega, a través de las líneas a las que está conectado. Se debe de tener en cuenta que las sobretensiones pueden ser de dos tipos por sobretensiones internas o externas. El tipo de relé debe de estar monitoreando la tensión de red ya que esta puede disminuir bruscamente ó aumentar así bruscamente. Para eso el rele ideal que cumpla este trabajo debe de ser un relé de vigilancia trifásica, ya que estos actúan cuando hay disminución de voltaje o aumentos en cada una de las 3 fases. 1.3.5 Simbología y conexión de un relé de sobretensión.

Simbología:

Variante 1

Variante 2

Conexiones:

Rele de sobretensión en circuito de potencia

1.4 Fallas por fugas de corriente a tierra 1.4.1 Fallas por fugas de corriente a tierra

Se dice que hay fuga de corriente eléctrica cuando la energía sale de su circuito normal, es decir, de los hilos conductores. Esto ocurre cuando el aislamiento del conductor está deteriorado; se corre el riesgo entonces de que el conductor haga contacto con otro cuerpo conductor, como por ejemplo: *una tubería metálica *El chasis de un equipo eléctrico *El chasis de un motor *Tableros eléctricos *Estructuras metálicas Entonces cuando el conductor hace contacto con otro cuerpo conductor como los ya mencionados, esto origina el paso de la corriente a través del contacto establecido. Estas fallas son potencialmente peligrosas para las personas (electrocución) y también para los equipos eléctricos ya que el 98% de las fallas eléctricas originalmente son fallas a tierra, ya que en las instalaciones al no utilizarse el conductor adecuado dicho aislamiento tiende a deteriorarse ya que no se encuentra en las condiciones idóneas de trabajo.

1.4.2 Dispositivos de protección para corrientes de fuga a tierra. Breaker diferencial de corriente

En las instalaciones industriales es común usar relés de protección contra fallas a tierra. Un relé de protección contra fallas a tierra es un medidor de corriente con un punto de referencia, si la corriente excede el punto de referencia entonces el relé cambia el estado de sus salidas. Los relés de falla a tierra no interrumpen el paso de corriente por si solos, lo hacen a través de la bobina de disparo de un contactor o interruptor termo-magnético. Cuando el sistema eléctrico ha sido directamente aterrado, la corriente de la falla a tierra es mayor que las sobrecorrientes del sistema, esto hace que sea muy difícil proteger este tipo de sistemas eléctricos contra fallas a tierra. Generalmente el dispositivo de protección que se utiliza es una protección por diferencial de corriente o también llamado disyuntor por corriente diferencial o residual, es un dispositivo electromecánico que se coloca en las instalaciones eléctricas de corriente alterna, con el fin de proteger a las personas de las derivaciones causadas por faltas de aislamiento entre los conductores activos y tierra o masa de los aparatos. Pero en instalaciones domiciliarias el dispositivo de protección de corrientes a tierra se llama interruptor GFCI y este pues estar integrado en un tomacorriente para protección del toma ó en la caja del circuito principal asi protegiendo con un solo interruptor la vivienda.

Interruptor diferencial

protección GFCI

1.4.3 Principio de funcionamiento del interruptor de proteccion contra corrientes de fuga a tierra

El interruptor diferencial consta de dos bobinas, colocadas en serie (una en cada extremo de la carga) con los conductores de alimentación de corriente y que producen campos magnéticos opuestos y un núcleo o armadura que mediante un dispositivo mecánico adecuado puede accionar unos contactos. Es un dispositivo de protección muy importante en toda instalación, tanto doméstico, como industrial, que actúa conjuntamente con el conductor de protección de toma de tierra que debe llegar a cada enchufe o elemento metálico de iluminación, pues así desconectará el circuito en cuanto exista cualquier derivación. Si no existe la toma de tierra, o no está conectada en el enchufe, el diferencial se activará cuando ocurra tal derivación en el aparato eléctrico a través por ejemplo de una persona que toca sus partes metálicas, y está sobre un suelo conductor, recibiendo la persona entonces una descarga, que será peligroso o incluso mortal si la corriente sobrepasa intensidades de alrededor de 30 mA . Los diferenciales que protegen hasta 300 miliamperios (mA) se denominan de alta sensibilidad. Su funcionamiento esta basado en la suma de corrientes que estas pasan por un sensor, la corriente que va a través de L1 debe retornar a través del N entonces esta corriente de retorno también pasara por el sensor en el cual por dicho sensor debe pasar la misma corriente que pasa en L1, entonces esto me crearía campos magneticos iguales pero opuestos en las bobinas los cuales se anularían. Pero si existiese la variante que la corriente de retorno no es igual a la corriente de L1 entonces eso me dice que hay una corriente de fuga ya que la corriente a través de L1 seria mayor que la del N y esto me daría que L1 sería igual a la suma de la corriente de retorno en el N mas la corriente de fuga, entonces ya no tendríamos campos magneticos iguales en las bobinas y este circuito se dispararía.

Funcionamiento de un interruptor contra corrientes de fugas

1.4.4 ¿Cómo seleccionar un interruptor contra corrientes de fuga a tierra?

Toda instalación eléctrica presenta altos riesgos que pueden ser traducidos en consecuencias importantes debido a fallas de aislamiento en artefactos o aparatos eléctricos provocando corrientes de fuga a tierra que no son detectadas por los Interruptores automáticos termomagnéticos ya que lo que necesitamos es un interruptor automático diferencial. Lo que debemos tener en cuenta para seleccionar nuestro interruptor diferencial son los siguientes aspectos: *Cantidad de Polos: es la cantidad de polos que debe tener de acuerdo a los cables conductores activos *Corriente Diferencial Nominal: es la corriente de disparo *Corriente Nominal: es la corriente que debe de ser igual a las suma de las corrientes de cada circuito que protege. *Tecnología del Interruptor Diferencial: se debe utilizar según norma, un Interruptor Diferencial de tipo electromecánico, cuyo principio de funcionamiento se basa en que la corriente de falla genera el disparo del interruptor, lo que garantiza la apertura del mismo ante cualquier tipo de falla, inclusive si el neutro de la red de alimentación está cortado. *Cantidad de cargas 1.4.5 Simbología y conexión del interruptor diferencial

Simbologia:

Bobina de disparo por fuga >30mA

Variante 1

Variante 2

Conexiones:

Conexión del interruptor diferencial